基于新工科的混合模式下单片机课程教学改革探索

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  摘 要:为提高单片机的教学效果和学生应用开发单片机的实践能力,本文结合“新工科”大背景,对单片机课程的教学内容、教学技术、教学手段和方法以及考核评价的改革进行探索,组织和开展线上学习+线下仿真、虚实结合,项目设计、课赛结合的混合式教学,将互联网教学资源引入教学中,并结合Keil μVision开发平台和Protues虚拟仿真平台辅助教学,采用兴趣与项目相结合完成教学内容,将理论知识应用于实践中,学生解决实际应用问题的能力进而得到提高,同时学生学习的主动性也增加了,培养学生养成独立思考的习惯,同步提升学生对单片机的开发应用能力。
  关键词:新工科;混合式教学;单片机课程;教学改革
  
  在国家战略发展新环境下,2017年,教育部高教司提出了为应对新一轮科技、产业革命和经济环境的“新工科”建设,形成了“复旦共识”“天大行动”“北京指南”。新工科是全力探索形成领跑全球工程教育的将新理念、新结构、新模式与新质量、新体系共同开展的中国工科人才培教育模式,推动学科跨界融合,适应新时代社会经济发展。单片机课程是新乡医学院三全学院生物医学工程专业的其中一门主要专业课程,学生能通过这门课程的学习达到掌握单片机的基本流程及使用开发方法的程度,具备单片机系统的综合应用能力。
  1 课程现状及问题
  单片机课程的教学存在一些问题,授课过程中面临着诸多困境,效果不尽如人意。
  (1)该课程理论知识枯燥,实践性、专业性较强,学生难于接受理解,传统的课程学习是以教师课堂讲授为主与学生课下练习为辅的模式,满足不了学生的个性化需求。
  (2)学习过程受时间和空间限制,单片机技术实践性、综合性强,需要大量实践训练获得经验及技能,从而具备实践创新能力,仅靠课堂上有限时间学习,教学效果难以保证。
  (3)首先,理论知识与实践技能难于融合,课堂理论教学和实践操作相互脱离。其次,实验主要是验证型实验,学生按照实验手册和老师指导步骤进行就可以完成实验内容,没有思考开发单片机的应用,做不到真正的学以致用。
  (4)教学深度不足,学完单片机后,大部分学生只了解基本的单片机基础,对单片机有个简单的认识,并没有真正懂得掌握单片机使用及设计开发的方法。由于课堂学时受限的问题,很难有充足时间来引导训练学生学会对较复杂项目的分析与设计。整体的单片机课程主要存在以下问题:教学模式单一,教学过程枯燥,教学效果不佳,实验实践内容匮乏,岗位能力培养不足,课程评价不能全面评价。
  2 混合式教學模式
  混合式教学(Blending Learning),将传统课堂教学和网络化教学相结合,形成“线上”+“线下”的教学模式。混合式教学模式包含:传统教室课堂学习与网上线上学习相结合的教学形式,传统的教学形式与多媒体技术相结合的教学手段,教师引导与学生自主学习相结合的教学过程,形成性评价与总结性评价等多种方式相结合的教学评价。混合式教学为学生提供了自主学习的通道和信息传递的方式,学生学习的积极欲望被激发出来,教学效率也被提高,适应“新工科”建设需求。
  混合式教学是以“学生为中心”,更注重学习者的体验与感受,引导学习者进行探究式学习,提高了学习者的学习兴趣,提升了学习效果。混合式教学培养了学生的知识迁移能力、自学能力和创新能力,提高了学生的团结合作、共同协作能力,表达沟通能力。
  3 混合式教学设计
  单片机课程利用现在先进技术融合的混合式教学改革模式,依据教学目标、教学手段、教学内容、教学技术和形式,设计不同的教学模式,即线上线下相结合、教师讲学生练相结合、虚拟仿真实验操作结合、学生兴趣项目老师分配任务相结合的多种混合式教学改革模式。传统的课堂教学活动特点是以教师的“教”为主,教师可以根据学情分析情况、授课目标、授课重难点内容选择混合教学模式进行教学过程设计,线下线上结合方式。教师引导学生课下积极完成自主学习和分组讨论学习,然后教师再针对学生课下学习时难以理解和掌握的知识点,在课堂上面对面地进行讲解,这样既激发了学生学习积极性和热情,提高了学习能力,又提高了教学效率,从而取得良好的教学效果[3]。线上教学是以学生为主,教师为辅的形式,学生课下通过网络视频自主学习,教师线上辅导,同时还可以与其他同学借助多种平台(如在线论坛、贴吧、QQ、微信、雨课堂)进行交流、讨论、分享等自由互动的学习,及时解决一些难以理解的知识、问题[3]。混合的教学改革模式,可以满足不同层次学生的学习需要。单片机课程实践性强,采用多元化教学方法,自由分组建立学习团队,进行兴趣任务与项目相结合教学方法,在兴趣驱动下,自由建立小组,根据教学内容设计分析项目。通过展示实际案例,激发学生对单片机的学习兴趣,在正式授课之前,学生根据提前发布的教学任务,自由成立兴趣学习小组,分析设计项目,进行PPT汇报比赛。此外,还鼓励并要求学生积极参加电子单片机类的项目竞赛,这样既激励学生将课堂所学的理论知识应用到实践项目中,又可以迅速提升学生的单片机应用开发能力,培养学生的专业兴趣,激发学习热情和主动性、创造性,同时,学生在做项目任务的判断、分析、设计、实施、解决等过程中也培养了团结协作及实际的实践操作动手能力,从而获得学习的成就感。
  4 混合式教学实施
  单片机课程教学内容既有硬件电路又有软件编程,教材上知识点内容零散,理论性强。单片机课程教学改革是,以学生为主,整个单片机课程教学设计是以学生为主进行的混合式教学模式改革,混合式教学模式能够激发学生学习激情,转变学生学习态度,增强学生学习主动性和积极性,师生、生生间可以随时进行交流探讨学习。
  4.1 线上下相结合
  单片机课程中首先了熟悉掌握基础知识,名词、基本概念和原理理论等部分,例如:AT89C51单片机的引脚功能、内部结构、工作方式、存储器结构、特殊功能寄存器的基本功能,最小系统等,这些知识比较陌生且抽象,上课时直接讲解学生不容易理解,所以这部分用线上线下的教学设计方式,先对学生下达预习任务并布置问题作业,学生带着问题作业进行网络学习,教师通过“发布测试”对学生的线上学习内容和课前预习内容进行测试,以了解预习效果。学生通过网络视频的学习,对单片机有了基本概念,总体认识,然后再进入课堂,在教室课堂上,教师针对预习效果有针对性地深度讲解分析相关内容的重难点,然后与学生进行讨论探讨,化解学生疑难问题,重点知识的快速理解掌握,引导学生探索课程更深层次知识内涵,为后续单片机各部分功能的学习打下了良好基础,引起了学生学习该课程的兴趣和热情。网络学习和教室学习相结合方式,自主学习和监督学习优点被有效发挥,学生不仅掌握了单片机的基础知识也有学习的热情。   4.2 讲练相结合
  介绍AT89C51单片机C语言程序设计部分,采用Keil μVision单片机集成虚拟仿真软件,讲与练相结合。在实验课上用屏幕同步的方式先对实验内容的每一条指令、语句的功能及运行结果给学生详细讲解,让学生观察语句执行过程中寄存器、存储器、指针等的变化,边讲解边演示,学生也同时进行操作练习,这样学生动手操作过程中能更加直观、形象地学习指令及语句的功能和掌握软件编写的技巧能力。在Keil μVision上进行软件功能的验证时,采用单步调试和整体调试进行操作,逐句分析并找出程序中的错误,观察每条指令语句执行后对整个程序功能的影响。讲与练结合,理论知识与实践操作结合的方式,使学生加深了单片机硬件功能及软件程序的理解,取得了良好的效果[2]。
  4.3 虚实相结合
  单片机课程的实践性应用型较强,其中在接口技术和应用系统设计部分中,重点学习AT89C51单片机中断系统(INT0/INT1)、定时/计数器(TO/T1)、串行通信接口、键盘输入、输出设备(LED/LCD)、ADC与DAC、总线接口等内容。这些内容的实践性较强,学生只学习理论知识难以理解,只有动手操作才能理解和掌握其功能。在教学设计过程中,采用Proteus和Keil μVision虚拟仿真实验平台,首先在Proteus实验平台上设计硬件电路,在Keil μVision编写对应软件程序,然后再对硬软件进行联合调试仿真。在此硬软件设计操作中熟悉掌握中断、定时/计数器、串行接口、矩阵式键盘扫描、LCD液晶显示、DAC0832/ADC0809、数据传输接口的工作原理及程序编程方法,然后在单片机实验箱上按照仿真平台电路插接硬件系统,把程序烧入单片机芯片中,进行实验项目的实体实现功能。先虚拟仿真后实体操作的教学设计形式,学生全面认识掌握单片机接口技术及应用电路的设计、编程、调试及仿真的步骤及方法。由基础到综合逐步进行各个实验内容[2]。增强了学生对于利用单片机作为控制核心进行开发的直观认识,同时,学生的动手实践能力,分析问题、解决实际问题的能力都得到较快提高,学生学习的成就感及获得感也得到增强,充分发挥了虚实两者的优势,达到了预期效果。
  4.4 兴趣项目任务相结合
  单片机课程具有较强实践性,因此注重对学生的实践操作能力及工程技能的训练和培养。学生熟练设计操作单片机硬件电路和软件程序,将硬软件相互嵌入结合,通过单片机系统硬件电路和软件程序的联合调试仿真,使学生达到分析问题、解决问题的能力和相互合作、沟通表达的能力及创新思维的能力。将兴趣项目任务相互结合,按照学、仿、练、设的思路层层递进,设计一将知识性、趣味性、实用性相结合的项目,从而激发学生的兴趣和对知识的求知欲。项目开始阶段,教师根据近几年的竞赛及科研项目发布该课程项目的总体要求,学生自由组队然后结合自己兴趣确定项目的选题,团队之间进行分工查阅资料、项目分析,最终完成项目总体方案设计,电路设计及程序设计[1]。项目实施过程中,学生根据自己的方案设计用Proteus仿真軟件绘制电路原理图,根据项目实现功能结合硬件电路进行软件程序编译,在Proteus和Keil μVision虚拟仿真实验平台进行联合调试仿真直至出结果。在整个过程中,学生会遇到各种问题,教师汇总学生在硬件电路和软件程序实施过程中的典型问题,由学生进行分组讨论、分析、解决这些问题。最后,烧录程序,在实验箱上完成硬件的插线,进行项目功能的验证。项目最后,首先,要求学生完成项目报告,对项目的整个过程进行总结,培养了学生表达及论文撰写能力。其次,每小组选派一名同学作汇报,用PPT详细讲解项目设计情况,其他小组对该组的设计汇报情况进行评价,及小组互评和教师点评相结合的方式对项目质量进行综合客观评价。最后,要求学生在课外完成实物制作,提交作品。通过开展以学生为中心的教学设计,硬软件设计相互融合的项目式教学实施过程,有效的增加了学生的实践操作能力,同时,对于专业知识和工程技能及职业能力有较大提升。
  4.5 课赛相结合
  针对工程应用型人才的培养要求,每年各团体组织开展很多关于电子单片机相关的各级竞赛,通过参加各种竞赛来锻炼提升学生对单片机设计应用的综合能力和团队协作能力。定期组织竞赛活动讲座,进行竞赛活动的指导,学生在比赛中获得奖项,激发学生学习单片机的积极性,加强了自我能力的认同。“以赛促学、以赛促教、以赛促改”的教学模式,学生完全参与到整个竞赛过程中,极大地提高了学生的综合实践技能,竞赛也综合考查了学生抗压能力及沟通表达能力、团队互助协作能力及创新创业能力。
  5 课程考核评价
  传统的单片机课程教学中,学生学习成绩主要有教师进行评价,学习成绩以期末考核成绩为主,评价主体和评价方式的单一化不能真实全面反映学生的综合素质能力。教学改革的混合式教学的课程考核不再以期末试卷考试作为成绩评定唯一评价标准,而是要将考核贯穿整个教学过程,结果性评价和过程性评价相结合。结合混合式教学活动各环节的多元化交互设计,将线下学习效果的评价和项目设计完成中同组互评、组间评价和教师对团队的整体评价相结合的多种评价方式相结合,从而更加全面、科学、客观地从多方面、多视角、多元化考查学生的整体综合能力,同时还对学生的学习态度、学习积极性和主动性也间接融入评价中。总的评价包括了理论和实践评价、过程和结果评价、课堂和课外评价相互结合的,更侧重了过程性评价的评价方法。最终的成绩由三部分组成:平时过程性考核成绩、项目实践考核成绩、期末试卷考核成绩,学生平时过程性考核成绩占综合成绩30%,主要有考勤、作业、章节测试、线上线下讨论等组成;项目实践考核成绩占综合成绩30%,主要有实验操作、实验报告、项目设计实施报告、汇报和成品等,其中项目设计实施汇报成绩包括组内评价、组间评价和教师评价;期末试卷考核成绩占综合成绩40%,采用统一闭卷形式,注重基础理论知识的考核。最终的成绩结果,反映了学生理论知识的掌握程度及实践技能、应用开发能力和综合素质,既注重了形成性考核,又注重了终结性评价。
  6 结语
  新工科混合教学模式,单片机课程教学以学生为中心,把虚拟仿真平台Proteus和Keil μVision应用于教学过程中,通过多媒体技术的教学手段将线上平台融入单片机课程各个章节内容中,学生线下自主学习、探讨,学习时间和地点不受限制,获取知识的途径灵活多样,教师和学生可以实时进行沟通,进而激发课堂教学效率,学生的学习热情及主动性将被最大程度激发,学生的工程技能及职业能力得到提高,教学效果也得到提升,符合应用型人才培养要求[4]。兴趣任务的项目模式,学生有较大的自由组队选题空间,有效地提高了学习兴趣和学习监督,同时,汇报和小组内评价及小组间互评激发了学生的良性竞争,取得较好的学习效果。实践表明学生对单片机的开发和应用能力有显著提高,基于新工科的混合式教学改革更利于单片机课程教学质量和学生综合素质及能力的提升。
  参考文献:
  [1]董燕丽.“新工科”背景下《单片机原理与应用》的教学改革探索[J].中国设备工程,2020,11:233234.
  [2]王晓燕.《单片机原理及其应用》混合式教学探索与实践[J].电子世界,2020,11:1415.
  [3]马春燕.《单片机原理与接口技术》混合式教学探索与实践[J].教育教学论坛,2019,12(50):168170.
  [4]万松峰.机电控制类课程混合式教学模式研究与实践以《单片机原理与应用》课程为例[J].职业技术,2020,19(1):4649.
  [5]赵圆圆.基于信息化的混合式教学在《单片机应用技术》课程中的探索与实践[J].教育现代化,2020,3(25):154157.
  基金项目:2019年新乡医学院三全学院教学改革课题“基于新工科的混合教学模式下单片机课程教学研究与实践”(立项编号:201919)
  作者简介:曹璐莹(1991— ),女,河南沈丘人,硕士,教师,研究方向:医学仪器、医学图像分析、智能医学。
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